Fišer Pavel, Dipl.-Ing. Jirásko Petr, Dr.-Ing. Václavík Miroslav, Prof. Dr.-Ing.

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1 Fišer Pavel, Dipl.-Ing. Jirásko Petr, Dr.-Ing. Václavík Miroslav, Prof. Dr.-Ing.

2

3 Berechnungen

4 Konstruktion

5 Materiale

6 Herstellung

7 1. Einführung Die Firma VÚTS, a.s., beschäftigt sich mit der Konstruktion und Herstellung von speziellen Einzweckmaschinen, die sie mit ihren entwickelten die Umsetzung der zuständigen Technologie ermöglichenden Steuerungssystemen bestückt. Die Abteilung für Mechatronik führt mehr als 10 Jahre die Anwendungsforschung von elektronischen Kurvenscheiben basierend auf HW und SW-Komponenten von Yaskawa (Japan) durch. Da die Anwendung von elektronischen Kurvenscheiben mit den eigenen Steuersystemen zusammenhängt, wurde ein allgemeines Steuersystem entwickelt, das auf dem Konzept einer Zustandsmaschine mit manueller und automatischer Betriebsart basiert. Dieses Konzept ist im Bereich der Steuersysteme für Werkzeugmaschinen üblich. Der grundlegende Unterschied liegt jedoch in der automatischen Betriebsart, bei der die Programmlogik der elektronischen Kurvenscheiben zum Steuern einzelner NC-Achsen verwendet wird. Die Bewegung der Arbeitsglieder bzw. einzelner Achsen wird von den Bewegungsgesetzen abgeleitet, einschließlich der ersten und der zweiten Ableitungen, die in den Vorwärtskopplungen der Geschwindigkeit und des Momentes der Kaskadenregelstruktur in dem Servo- Wandler verwendet sind. Das Konzept des Steuersystems mit elektronischen Kurvenscheiben wurde für eine Anzahl von Einzweckmaschinen verwendet, von denen zwei Vertreter erwähnt werden.

8 2. Elektronische Kurvenscheibe Elektronische Kurvenscheibe ist ein Servo- Antrieb (ein mit einem Frequenz-Wandler-Servo- Wandler gespeister und mit einem Controller gesteuerter Synchron-Servomotor), der auf der Abtriebswelle des Rotors des Servomotors die erregende Bewegungsfunktion realisiert, mit Ausnutzung der dynamischen Eigenschaften der Bewegungsgesetze bzw. deren Ableitungen (der 1. und der 2.) Controller Servomotor Servopack

9 3. Bewegungsgesetz und Bewegungsfunktion Die Funktion, die der Zeit eine Positionsgröße eines bestimmten Gliedes eines zusammengesetzten Kurvengetriebes zuordnet, werden wir als eine Bewegungsfunktion dieses Gliedes nennen. Die Bewegungsfunktion der elektronischen Kurvenscheibe (theoretisch, tatsächlich) ist die Bewegung der Welle des Servomotors (Slave) nach der Zeit, und diese Bewegungsfunktion erregt ein dynamisches System der Übertragungsgetriebe der kinematischen Kette, an deren Ende ein Arbeitsglied ist. Die entsprechenden Ableitungen der Bewegungsfunktion nach Zeit sind die Größen Geschwindigkeit und Beschleunigung. Die Funktion, die einer Position des bestimmten Elementes die Positionsgröße eines anderen Elementes des zusammengesetzten Kurvengetriebes zuordnet, werden wir als Bewegungsgesetz bezeichnen. Das Bewegungsgesetz der elektronischen Kurvenscheibe ist die theoretische Funktion der Welle des Servomotors (Slave) zu der Position der virtuellen Welle (Master), bzw. der virtuellen Rotation. Die zugehörigen Ableitungen des Bewegungsgesetzes nach Position der virtuellen Welle sind die erste und die zweite Ableitungen des Bewegungsgesetzes (die Null-Ableitung wird oft als der Hub selbst bezeichnet)

10 Die Beziehung zwischen dem Bewegungsgesetz und der Bewegungsfunktion des gleichen Gliedes, beispielsweise des angetriebenen Gliedes des Grundkurvengetriebes ist gemäß den Beziehungen (1), wo das Bewegungsgesetz mit dem Symbol Π bezeichnet ist, und zwar zwischen dem Eingangs- und Ausgangselement mit den allgemeinen Koordinaten q. (1) Das Bewegungsgesetz (0., 1. und. 2. Ableitung) einer elektronischen Kurvenscheibe, die durch die Winkelgeschwindigkeit und die Beschleunigung der virtuellen Welle umgewandelt ist, ist die theoretische Bewegungsfunktion. Die Differenz zwischen der gewünschten theoretischen (Soll-Funktion) und der tatsächlichen Bewegungsfunktion (Ist-Funktion) ist die Positionsgenauigkeit der Bewegungsfunktion der elektronischen Kurvenscheibe (im Folgenden bezeichnet als PERR). Eines der Ziele der Anwendung der elektronischen Kurvenscheiben ist es, die bestmögliche Abstimmung der theoretischen Bewegungsfunktion mit der tatsächlichen auf der Welle des Servomotors zu erreichen. Der Wert PERR ist prinzipiell (!) und dessen Größe ist die Funktion der Parameter in der Kaskadenregelung im Servo-Wandler (Yaskawa), der äußeren dynamischen (trägen) und technologischen (Produktions-) Belastung.

11 4. Umsetzung der Bewegungsgesetze im Steuersystem von Yaskawa Durch Verallgemeinerung kommen wir zu dem Schluss, dass die Realisierung einer elektronischen Kurvenscheibe in der Entwicklungsumgebung eines beliebigen Antriebssteuerungssystems die Verarbeitung der Daten des Bewegungsgesetzes mit dessen Ableitungen (Hub, 1. und 2. Ableitung) in die Bewegungsfunktion (Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung) der Abtriebswelle des Servomotors ist. Das System verarbeitet die Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte weiter in Vorwärtskopplungen (Feed Forward, siehe rote Pfeile in Bild) der Geschwindigkeit und des Drehmoments in Bezug auf die Trägheitsmassen und andere externe (technologische) Kraftbelastung.

12 5. Steuerung von Servo-Antrieben Die Steuerung (Regelung) von Servo-Antrieben erfolgt über Parameter, die vom Hersteller zur Verfügung stehen. Wir verwenden das System der elektronischen Kurvenscheibe Yaskawa (SigmaV Servo-Antriebe, die Controllers der Serie MP2000 / 3000). Ziel ist es, die Parameterwerte so festzulegen, dass die elektromagnetische Kopplung Stator/Rotor so steif wie möglich ist (aus Sicht der technischen Mechanik). In Bild ist ein Ausschnitt der Kaskadenregelung des Servo-Wandlers mit den verwendeten Parametern: Pn100 Speed Loop Gain [Hz] Pn101 Speed Loop Integral Time Constant [ms] Pn102 Position Loop Gain [s -1 ] Pn401 Torque Reference Filter Time Constant [ms] Der Hersteller empfiehlt auch die Werte dieser Parameter in zehn Steuerstufen, wobei die Werkseinstellung Stufe 4 ist, die die Parameter Pn100 / Pn101 / Pn102 / Pn401 bei den Werten 40 [Hz] / 20 [ms] / 40 [s -1 ] ms] aufweist.

13 6. Positionsfehler PERR Der Grund, warum wir die Größe von PERR und seine Minimierung in Anwendungen von elektronischen Kurvenscheiben betonen, sind die Erfordernisse präziser Fertigungstechnologien (z. B. Einzweck-Bearbeitungsmaschinen) und die korrekte Funktion des mechatronischen Differentials in Anwendungen von nichtperiodischen (Schritt-) Bewegungsgesetzen, wo die gewünschte Ruhe eine Überlagerung (Superposition) der Bewegungen eines klassischen und eines elektronischen Getriebes ist.

14 PERR Positionsfehler PERR Fázové posunutí 1. derivace o 0.17 [deg]

15 7. Dynamische Versuchsstände

16 Lasvit, s.r.o. Metrie, s.r.o. BRV-300 CNC

17 Kinetic sculptures LASVIT s.r.o.

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21 METRIE s.r.o.

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24 BRV CNC

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26 Danke, auf wiedersehen